Loisteho, yliaallot ja kompensointi H. Honkanen Loistehohan johtuu kuormituksen reaktiivisuudesta. Reaktiivinen kuorma palauttaa osan energiastaan takaisin. Tämä palaava energia ( = virtaa ) kuormittaa siirtoverkkoa ja muuntajia, joiden virrankäsittelykyvyn tulee kestää myös loisvirran osuus. Loisvirtahan ei tee työtä, se vain käy lainassa kuormassa. Yliaallot johtuvat kuormittavan laitteen ei-resistiivisestä kuormituksesta. Tällöinhän virran muoto ei enää ole sinimuotoinen, ja sisältää verkkotaajuuden ( 50 Hz ) harmonisia kerrannaisia ( joissain tapauksissa myös ei-harmonisia ). Näistä varsinkin ensimmäinen pariton, eli 50 Hz taajuuskomponentti, on hyvin ongelmallinen. Loisteho voidaan kompensoida vastakkaisella reaktiivisella kuormalla, jolloin kuorman vaatima reaktiivinen komponentti saadaan kuorman ja kompensointilaitteen resonanssin avulla. Yliaallot voivat kuitenkin aiheuttaa merkittäviä ongelmia resonoidessaan kompensointilaitteiden kanssa. YLAALLOT Yliaaltoja aiheuttavat tasa- ja vaihtosuuntaajakäytöt, hakkuriteholähteet, energiansäästöloistelamput, puolijohdekytkimet, tyristorisäätimet, tietotekniikan laitteet, kodin elektroniikka, purkauslamput, hitsauslaitteet, valokaariuunit, PS-laitteet ( varsinkin kuivunein akuin ), sekä vikaantuneiden moottorien ja muuntajien magneettipiirit ( moottorin poikkinaiset sauvat, muuntajan löystynyt pakka ). Lisäksi loistehon kompensointi voi muodostaa resonansseja yliaaltojen kanssa ja näin ollen voimistaa yliaaltoja Alla kuvattuna normaalin, ilman kuormankorjainta toteutetun hakkuriteholähteen vaikutus. Vaikka tasasuuntausta ennen olisi verkkomuuntaja, olisi virran perusmuoto silti sama, tosin muuntajan impedanssi loiventaa ilmiötä hieman. Tasasuunnattu verkkojännite ja kondensaattorin jännite: Virran muoto: Kuvat: Kuvasarja yliaaltojen muodostumisesta
Esimerkkinä mainittakoon, että tietokoneet muodostavat nollajohtimeen noin 4 A / 50 Hz yliaaltovirran kilowattia kohden. Purkausvalaisimilla noin A / 50 Hz / kw Kaikista ongelmallisimpia ovat kolmella jaolliset harmosiset ( 3fo, 9fo ), joista varsinkin 3fo ( 50 Hz ) on monasti merkittävän suuruinen. Nämä taajuuskomponentit summautuvat nollajohtimeen! Allaolevassa kuvassa on simulaatio 5A kolmivaihevirrasta, jossa on mukana A ( 0% ) 50 Hz:n taajuuskomponentti. Kuten kuvasta on nähtävissä ( vahvennettu kuvaaja ), muodostuu virtojen summana 50 Hz taajuuskomponentti, jonka tehollisarvo on noin 4,3 A Kuva: 50Hz ja 50 Hz( 0% ) taajuuskomponenttien summautuminen kolmivaihevarkossa Nollajohtimen ylikuormittuminen: Pienjänniteverkon nollajohdin ei kuormitu ollenkaan perustaajuisella, symmetrisellä kolmivaihekuormalla. Epäsymmetrisellä perustaajuisella kuormalla nollavirta on enintään yhtäsuuri, kuin suurin vaihevirta. Nollajohtimella sallitaan vaihejohtimia pienempi poikkipinta-ala ( puolet minimissään ), kun vaihejohtimien pinta-ala on yli 6mm² Cu tai yli 5mm² Al. Kolmella jaottomat harmoniset yliaallot kuormittavat nollajohdinta, kuten perusaalto, mutta kolmella jaolliset harmoniset yliaallot summautuvat nollajohtimeen ja voivat täten aiheuttaa nollajohtimeen jopa vaihejohdinta isomman virran. Johtimen impedanssin kasvu taajuuden kasvaessa lisää ennestään yliaaltojen vaikutusta. Sähköverkkoa ei ole alunperin suunniteltu yliaaltoja sietäväksi, ja varsinkin olosuhteisissa, joissa nollajohdin on vain puolet vaihejohtimen pinta-alasta, nollajohdin voi yliaaltojen vuoksi ylikuormittua. Nollajohtimen eristeitä onkin syttynyt tuleen ja jopa johtimia palanut poikki yliaaltojen summavirtojen ja normaalin nollavirran yhteisvaikutuksesta!!! Muita yliaaltojen haittoja: Muista yliaaltojen haitoista voisi mainita häviöiden kasvun siirtoverkossa ja sähkölaitteissa, laitteiden kuormitettavuuden aleneminen, yliaaltojen muodostamat häiritsevät magneettikentät ( välkyntää kuvaputkinäyttöisissä näytöissä ), loistehon eliminointiin käytettävien kondensaattoreiden
ylikuormittuminen, virheitä mittauksiin, virhetoimintoja suojalaitteisiin, radiotaajuisia häiriökomponentteja ja aiheuttavat virheitä sähköverkossa siirrettäviin ohjausviesteihin. Laitteiden epälineaarisesta kuormituksesta johtuva virheellinen virranmuoto aiheuttaa myös jännitesäröä. Sähköverkonkaan impedanssi ei ole nolla, joten virranmuodon epäideaalisuus aiheuttaa täten virhettä myös jännitemuotoon, ja aikaansaa ei-sinimuotoisen virran myös resistiivisesti kuormittaviin laitteisiin. Jännitesärön maksimiarvo on 8% [ THD ] verrattuna nimellisjännitteeseen. Joillakin laitteilla jo 3% jännitesärö voi aiheuttaa toimintahäiriöitä Sähköverkossa siirretään myös dataviestejä. mm suuri osa sähköenergiamittareista on sähköverkon kautta kaukoluettavia. Yliaallot häiritsevät dataviestejä. Sähköverkossa siirrettävät dataviestit: - Verkkokäskysignaalit, sinimuotoinen, taajuusalue 0 Hz 3 khz - Sähköverkon kantoaaltosignaalit, sinimuotoinen, taajuusalue 3 khz 48,5 khz o Jakeluverkot: 3 khz 95 khz o Rakennusten sisäiset järjestelmät : 95 khz 48,5 khz - Merkinantosignaalit, transientti tietyssä kohtaa perusaaltoa Yliaaltojen eliminointi laitetasolla: Hakkuritekniikan yhteydessä yliaaltoja voidaan merkittävästi vähentää käyttämällä ( toisessa luentomonisteessa esitettyä ) kuormankorjaintekniiikkaa, jolla virranmuoto voidaan saada lähes ideaaliseksi. Purkausvalaisimien yhteydessä käytettävät elektroniset säätimet oikein suunniteltuna pienentävät yliaaltoja. KAAVAT Säröteho: D S P Q N N,3...40 Jännitesärö: THD F,3...40 tai THD R N N,3...40 Virtasärö: THD F,3...40 tai THD R Säröprosenttia määriteltäessä sitä verrataan joko perustaajuiseen komponenttiin ( THD-F ) tai koko signaalin teholliseen [ RMS ] komponenttiin ( THD-R ) Kompensoinnissa muodostetaan resonanssipiiri verkkotaajuudelle ( 50 Hz ): fr fr C LC 4 LC 4 f L r
KOMPENSONT -- Valmiiden kompensointiparistojen kapasiteetti ilmoitetaan vareina tietylle nimellisjännittelle Laitekohtainen loistehon kompensointi Laitekohtainen loistehon kompensointi toteutetaan mahdollisimman lähellä kompensoitavaa laitetta. Kompensointi toteutetaan siten, että kompensointiparisto on kiinni verkossa vain yhdessä kompensoitavan laitteen kanssa. Laitekohtainen kompensointi ei ole niin herkkä muodostamaan resonansseja verkon yliaaltojen kanssa, kuin ryhmäkompensointi. Edellytyksenä tietysti on, että kompensoitava laite ei aiheuta yliaaltoja. Käytännössä puhtaan kondensaattoripariston käyttö rajoittuukin nykyisin laitekohtaiseen kompensointiin. Moottorikäytöissä ei saa ylikompensoida. Ylikompensointi aikaansaa moottorin itseherätyksen ( = muuttuu generaattoriksi ) sammutusvaiheessa, josta seuraa ylijännite- ja yliaalto-ongelmia sammutustilanteessa. Laitekohtainen kompensointi: + Ei vaadi ohjauselektroniikkaa + Ei muodosta herkästi resonansseja yliaallolla + Voidaan toteuttaa laitetasolla - Vaatii oman kompensoinnin jokaiselle loistehoa tuottavalle laittelle - Lisää kytkimien ja kontaktoreiden kuormitusta kytkentätilanteessa - Ei niin tehokas, kuin ryhmäkompensointi Ryhmäkohtainen ( loistehon ) kompensointi Ryhmäkohtaisessa kompensoinnissa isompia ryhmiä kompensoidaan kerralla. Nykyisissä, paljon yliaaltoja sisältävissä sähköverkoissa, kompensointi on käytännössä toteutettava estokelaparistoilla, joissa on estokela estämässä resonanssit yliaaltojen kanssa. Ryhmäkohtaiset kondensaattoriparistot ( estokela tai ei ) ovat aina älykkäitä automaattiparistoja, ja näin ollen säätävät itsenäisesti itseään säätöarvojen mukaisesti. Ryhmäkohtainen kompensointi: + Tehokas + Voidaan toteuttaa samalla myös yliaaltojen eliminointia + Koko loistehon korjaus voidaan toteuttaa yhdellä laitteella - lman estokelaa herkkä resonoimaan yliaaltojen kanssa - Ohjauselektroniikka mittaustekniikoineen ja kontaktoreineen maksaa
Yliaaltojen kompensointi Yliaaltojen kompensointi toteutetaan aina keskitetysti. Yliaaltosuodatin ( 5,7, ) ei kolmella jaolliset! Yliaaltosuodatin muodostuu kondensaattoreista ja niiden kanssa sarjaan kytketystä kuristimesta. Kondensaattorit mitoitetaan loistehotarpeen eliminoinnin mukaisesti. Kuristimen induktanssi valitaan siten, että se muodostaa suodatettavan yliaaltotaajuuden kanssa sarjaresonanssipiirin, jolloin siitä muodostuu pieni-impedanssinen ( = oikosulku ) määritellylle yliaaltotaajuudelle. Tyypillinen yliaaltosuodatin muodostuu kolmesta rinnankytketystä sarjaresonanssipiiristä, jotka on viritetty yleisimmille yliaaltotaajuuksille ( 5, 7 ja harmoninen yliaalto ). Jokaisessa koteloidussa suodattimessa on kontaktori, terminen ylivirtarele, kuristin ja kondensaattori Yliaaltosuodatin kolmella jaolliset 3fo, 9fo Kolmella jaollisten yliaaltojen erikoisen käyttäytymisen vuoksi ( summautuvat nollajohtimeen ) myös suodatusratkaisut voivat poiketa muista yliaalloista. Sarjaresonanssipiiri vaiheen ja nollan välillä [ 50 Hz ]. Toiminta muutoin sama, kuin aiemmassakin ( yliaaltosuodatin ) ratkaisussa. Voidaan tuottaa myös tarvittava kapasitiivinen komponentti loistehon eliminointiin Rinnakkaisresonanssipiiri [ 50 Hz ] sarjassa nollajohdon kanssa. Muodostaa suurimpedanssisen esteen viritystaajuudella ja näin estetään yliaallon kulkeutuminen nollajohdossa. Voi lisätä yliaaltojen voimakkuutta suotimen tulopuolella. Vastuut: Perusajatuksena on, että sähkön toimittaja vastaa jännitteen laadusta ( Jännitesärö, lineaarisuus ) ja liittymän haltija virran laadusta ( yliaallot, loisteho )